基于電纜局部碳纖維複合材料放電性能影響的試驗分析
碳纖維複合材料由于具有密度輕､比強度高､抗阻尼性能好､耐腐蝕性能好等特點而被廣泛應用于航空航天､交通運輸等領域,而随着電熱材料在現代生活中應用普及程度的提高,具有導電發熱效果的碳纖維複合材料也逐漸開發出來,如目前市場上已出現有助于促進人體血液流通的碳纖維紙基複合材料,這種複合材料能通過導電發熱而釋放遠紅外線來作用于電纜,但是其亟待解決的問題是如何做到均勻發熱和節能環保,以克服電纜局部放電缺陷｡
在制備碳纖維紙基複合材料過程中,一般需要先制備碳纖維前驅體并加入氧化劑､摻雜劑等,而這些關鍵因素對碳纖維紙基複合材料電阻率等性能的影響規律尚不清楚｡本文研究了碳纖維含量､碳紙前驅體成分､氧化劑種類､摻雜劑種類和PY濃度對碳纖維複合材料電阻率和抗張指數等的影響,結果将有助于低電阻率的碳纖維紙基複合材料的制備并推動其在基于電纜局部放電的線路中的應用｡
材料與方法
實驗材料與試劑包括短切碳纖維(5 mm,CF)､1414型芳綸漿粕､打漿度35°的針葉木漿､分析純無水三氯化鐵､分析純吡咯(PY)､分析純過硫酸铵(APS)､分析純十二烷基硫酸鈉､分析純十二烷基苯磺酸鈉､分析純對甲苯磺酸鈉､工業純羧甲基纖維素鈉､分析純高錳酸鉀､分析純蒽醌-2-磺酸鈉(AQS)､分析純乙醇､分析純氫氧化鈉｡
預先對碳纖維進行385℃/30 min的灼燒處理,然後置于品質分數10%氫氧化鈉溶液中浸泡60 min,洗滌過濾後取出表面油脂;将經過預處理的碳纖維在品質分數10%羧甲基纖維素鈉溶液中超聲處理45 min;然後在疏解器中将漿粕與預處理後的碳纖維進行混合均勻,定型後壓榨(0.5 MPa､60 s)和幹燥(98℃､20 min)處理得到100 g/m2的碳紙前驅體｡
将針葉木漿/芳綸漿粕與CF混合制備針葉木漿/碳纖維紙(SP/CF)和芳綸漿粕/碳纖維紙(AP/CF),之後加入硫酸铵(APS)等氧化劑和十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)等摻雜劑,并加入濃度0.6 mol/L吡咯(優化PY濃度時濃度介于0~2 mol/L)制備得到碳纖維複合材料PPY/SP/CF和PPY/AP/CF｡
采用液相聚合法對吡咯進行蒸餾提純,然後與摻雜劑混合成溶液,将碳紙前驅體在混合溶液中浸漬,之後用噴霧将氧化劑噴到碳紙前驅體上進行0℃/360 min的反應,之後經過相同的壓榨和幹燥工藝得到碳纖維紙基複合材料(CPPY/CF)｡
試驗結果與分析
CF含量對碳紙前驅體電阻率和抗張指數的影響可以看出,随着CF品質分數增加,碳紙前驅體的電阻率先急劇減小;而當CF品質分數增至10%及以上時,其逐漸趨于穩定或略有降低｡随着CF品質分數的增加,碳紙前驅體的抗張指數先增大後減小,在CF品質分數為10%時取得最大值｡
碳紙前驅體成分對碳纖維增強複合材料電阻率的影響可以看出,葉木漿/碳纖維紙(SP/CF)的電阻率為0.334Ω·cm,芳綸漿粕/碳纖維紙(AP/CF)的電阻率為0.353Ω·cm,SP/CF/PPY的電阻率為0.303Ω·cm,AP/CF/PPY的電阻率為0.282Ω·cm｡
對比分析可知,SP/CF和AP/CF的電阻率相差不大;而SP/CF/PPY的電阻率要高于AP/CF/PPY｡這主要是因為在酸性條件下,SP/CF會在一定程度上發生分解,進而使得SP/CF/PPY中的PPY含量會有所減少,反應在最終電阻率上則表現為其電阻率更大｡
摻雜劑種類對碳纖維複合材料電阻率分别列出：十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)､甲苯磺酸鈉(TSNa)､蒽醌-2-磺酸鈉(AQS)和十二烷基硫酸鈉作為摻雜劑時複合材料的電阻率,前驅體為優化的AP/CF,氧化劑選擇優化後的APS｡
不同摻雜劑制備得到的碳纖維複合材料的電阻率從大至小順序依次為:SDBS､SDS､TSNa､AQS｡由此可見,AQS作為摻雜劑時碳纖維複合材料的電阻率最小,摻雜效果最好;而SDBS作為摻雜劑時碳纖維複合材料的電阻率最大,摻雜效果最差｡
這主要是因為摻雜劑AQS具有較大的分子體積,能夠在反應過程中形成緻密性好的PPY;而SDBS由于具有長側鍊而降低電荷傳輸效率,造成導電性下降｡是以,本文基于電纜局部放電的碳纖維增強複合材料适宜的摻雜劑為AQS｡進一步研究了PY濃度對碳纖維複合材料電阻率的影響｡
随着PY濃度的最大,碳纖維複合材料的電阻率先減小後增大,在PY濃度為0.75 mol/L時具有最小值｡這主要是因為在較小的PY濃度時,随着PY濃度升高複合材料中PPY含量增大,相應地電阻率會有所減小;但是如果繼續增大PY濃度,複合材料中過多的PPY的形成會使得厚度增加,電阻率反而增大｡是以,為了獲得電阻率較低的碳纖維複合材料,适宜的PY濃度為0.75 mol/L｡
